Simulation optimale d'écoulements gazeux_
La simulation physique et les algorithmes d'optimisation au service de l'ingénierie !
Le contexte_
Dans le cadre du développement et de la certification de ses systèmes de confinement et de transport de gaz liquéfié, notre client GTT doit anticiper et maîtriser le comportement de sa technologie lors de test d’étanchéités ou bien en cas de fuite. La taille des systèmes de confinement (généralement de l’ordre de dizaines de milliers de mètres cubes) et leur coût rendent la réalisation de prototypes et expérimentations grandeur nature difficiles. Il est donc crucial de pouvoir simuler numériquement le comportement de la technologie dans différentes situations.
Ces simulations d’écoulement de fluide dans des milieux très complexes représentent un véritable challenge scientifique de par la présence de longueurs caractéristiques d’ordre de grandeur très différent : la taille du système est de plusieurs dizaines de mètres et la taille des conduits d’écoulement de quelques centimètres. Les méthodes de simulation 3D par éléments finis sont ainsi trop gourmandes en temps de calcul.
GTT a donc développé un modèle physique réduit, appelé PGaz, pour simuler ces écoulements en un temps de calcul acceptable. L’enjeu est de contrôler la précision de ce modèle réduit et de recaler ses prédictions en cas de dérive au cours du temps.
Couplage, quesako ?_
Le couplage s’effectue de la manière suivante : la simulation d’écoulement est réalisée par le modèle réduit dans le système complet à chaque instant. Cette simulation consiste en une résolution locale de l’écoulement dans des motifs élémentaires (le système complet se décompose spatialement en une juxtaposition des ces motifs, appelés VER : Volume Elémentaire de Référence) et ce à chaque pas de temps. Le solveur 3D, beaucoup plus gourmand en temps de calcul, est appelé à certains pas de temps et dans certains VER pertinents : le résultat de ces simulations sert à la fois à monitorer la qualité des prédictions du modèle réduit et à le recaler pour le pas de temps suivant.
La mise en place de ce couplage est également un défi informatique : le modèle réduit et le solveur 3D ne sont pas écrits dans le même langage de programmation et il est crucial d’assurer une interaction efficace entre les deux pour ne pas détériorer le temps de calcul.
La qualité de ce couplage a été évaluée au travers de plusieurs cas tests définis par le client. Sur chacun de ces cas une simulation 3D complète a été réalisée et est considérée comme référence. Les résultats de la simulation du couplage entre modèle réduit et solveur 3D ont été comparés à cette référence afin de valider la performance de la méthode.
L’objectif de notre mission : implémenter un couplage entre le modèle réduit et un solveur 3D par volumes finis et proposer une stratégie de couplage délivrant un compromis optimal entre temps de calcul et précision.
Couplage optimisé, satisfaction assurée_
L’optimisation du couplage est au cœur de la réussite et de l’efficacité de la méthode. Elle repose sur plusieurs éléments clés :
🟠 La construction d’une fonction de coût, représentant les écarts (en débit, concentration, etc.) entre les résultats de simulation du couplage et de simulations références.
🟠 L’estimation du temps de calcul engendré par une stratégie de couplage donnée.
🟠 L’identification des leviers d’optimisation : fréquence temporelle des appels, nombre et localisation spatiale des VER utilisés par le solveur 3D.
🟠 L’optimisation de ces paramètres pour garantir la meilleure précision de simulation en respectant les contraintes de temps de calcul.
Ce projet a été entièrement réalisé par le pôle Modélisation & Simulation.
2 développeurs OSE mobilisés
Pendant 5 mois
En collaboration avec notre client GTT
